Accessoires pour une installation hydraulique

Il existe diff´erents accessoires associ´es `a une pompe, utiles `a tout bon fonctionnement de l’installation hydraulique :

−Le clapet de pied avec cr´epine: il s’agit d’un organe d’´etanch´eit´e situ´e `a l’extr´emit´e inf´erieure du tuyau d’aspiration (Fig. 2.32). Il empˆeche l’´evacuation de l’eau hors de la pompe `a chaque arrˆet de celle-ci. Il faut qu’il soit immerg´e et `a une profondeur qui garantisse un fonctionnement parfait en ´evitant tout ph´enom`ene de cavitation. Il est aussi bon de pr´evoir un flotteur pour l’arrˆet automatique de la pompe lorsque le niveau de l’eau descend au-dessous du niveau pr´e´etabli.

− Clapet anti-retour : il doit ˆetre install´e sur la conduite de refoulement pour ´eviter tout reflux de fluide en cas d’arrˆet soudain du moteur. Il est aussi pr´ef´erable de choisir des types de clapet avec ressort int´erieur et avec obturateur `a ogive, aidant ainsi `a att´enuer le ph´enom`ene de coup de b´elier.

− Vanne : non seulement elle permet le d´emontage de la pompe sans vider l’installation mais elle sert aussi pour le d´emarrage du groupe et pour le r´eglage de d´ebit.

2.5.9 La cavitation (Introduction du NPSH)

La cavitation est le ph´enom`ene qui se produit quand, en un point de l’´ecoulement, la pression statique devient ´egale `a la pression de vapeur saturante du liquide, not´ee p_v(T).

Ce ph´enom`ene n’est pas `a prendre `a la l´eg`ere tant l’impact `a la fois sur le rendement de fonctionnement, mais surtout sur la survie du mat´eriel, est important. Afin d’´eviter son apparition, il existe un crit`ere bas´e sur la connaissance du r´eseau hydraulique amont `a la pompe et sur les caract´eristiques internes de celle-ci.

La suite de ce paragraphe se propose dans une premi`ere partie de d´etailler les change-ments de phase impliqu´ees dans ce processus. On terminera enfin par la pr´esentation du

sublimation

condensation

solide liquide gaz

fusion vaporisation

solidification liqu´efaction

T

p liquide vapeur

A B C

p_v(T)

(a) (b)

Figure 2.33: (a), Nomenclature des changements de phase ; (b) Courbe de saturation.

crit`ere cit´e plus haut.

Changements de phase

La cavitation est un type particulier de changement de phase d’un corps correspondant

`a la vaporisation (Fig. 2.33.a), c’est `a dire `a la formation de cavit´es gazeuses. Il existe en effet plusieurs fa¸cons de vaporiser un liquide. Aidons-nous du diagramme d’´equilibre<sup>2</sup> entre les phases vapeur et liquide (Fig. 2.33.b). `A partir d’un point A appartenant `a la phase liquide, l’´ebullition peut ˆetre atteinte soit en augmentant la temp´erature du fluide

`a pression constante<sup>3</sup> (A → B) ; soit en baissant la pression du fluide `a temp´erature constante (A→C) : c’est la cavitation. C’est ce dernier processus qui nous int´eresse dans le cas des pompes.

La pression de vapeur saturante peut ˆetre estim´ee `a partir de la relation suivante dans laquelle la pression de vapeur saturantepv(T) est obtenue en mm de colonne de mercure, dont la masse volumique vaut ρ<sub>Hg</sub> = 13 600 kg/m<sup>3</sup>, `a partir de la temp´erature exprim´ee en Kelvin :

log₁₀(p_v(T)) = 20,310−2 795

T −3,868×log₁₀T.

Ainsi pour une temp´erature d’eau ´egale `a 20˚C, la pression de vapeur saturante vaut approximativement 2260 Pa.

Impacts de la cavit´e sur les pompes

Une pompe g´en`ere une zone de d´epression dans son orifice d’aspiration. Si, dans cette zone, le liquide voit sa pression absolue diminuer d’une fa¸con cons´equente, une cavitation peut alors avoir lieu (Fig.2.34). La vapeur cr´e´ee peut s’accumuler (dans une partie haute de la conduite) ou ˆetre entrain´ee dans le corps de la pompe. La trajectoire suivie par ces

2. Cette courbe est aussi appel´ee courbe de saturation.

3. C’est le cas de l’eau bouillante dans une casserole.

Figure2.34: Cavitation `a l’as-piration d’une pompe centri-fuge.

bulles de gaz les am`ene vers des r´egions de plus forte pression (extr´emit´es des aubages sur une pompe centrifuge par exemple). Le fluide repasse en dessous de sa courbe de sa-turation : les vapeurs se liqu´efient. On note ainsi des implosions continues, de fr´equences

´elev´ees. Ces implosions produisent des microjets et des surpressions (onde de choc) qui peuvent atteindre plusieurs centaines, voire milliers de bar.

Ce ph´enom`ene de cavitation s’accompagne de diff´erentes nuisances : (1) du bruit et des vibrations caract´eristiques, premi`ere manifestation de la cavitation. La tuyauterie se trouve ainsi excit´ee et vient `a son tour rayonner un champ acoustique dans le milieu a´erien ambiant. (2) l’effondrement de la courbe de d´ebit et du rendement de la pompe.

En effet, une partie de l’´energie est perdue `a comprimer les cavit´es gazeuses. Pour des poches de vapeur tr`es d´evelopp´ees, les pompes subissent des chutes de leur performance qui les rendent inutilisables. Ce ph´enom`ene est souvent d´ecrit comme la chute de ca-ract´eristique. (3) un ´echauffement anormal, et (4) l’´erosion caract´eristique des aubages et autres ´el´ements de la pompe. Dans ces conditions, une pompe fonctionne tr`es mal et voit sa dur´ee de vie consid´erablement r´eduite. Pour toutes ces raisons, la pression `a l’aspiration doit ˆetre mesur´ee `a l’aide d’un manom`etre.

Notion de NPSH

Afin d’´eviter les nuisances cit´ees plus haut, il faut qu’en tout point du circuit, la pression absolue soit sup´erieure `a la tension de vapeur saturante. Cette pression ´etant mesurable en tout point du circuit, on est donc capable d’estimer la marge que le fluide dispose par rapport `a la cavitation,pabs−pv(T). Cette quantit´e variable dans le circuit, est appel´ee NPSH, pour Net Positive Suction Head (Hauteur de Charge Nette Absolue). Cette valeur traduit l’´energie encore disponible dans le fluide, au-dessus du seuil de tension de vapeur saturante :c’est une r´eserve d’´energie. `A l’entr´ee de la pompe, cette quantit´e va atteindre une valeur minimale. En ce point du circuit (et uniquement), on parle de NPSH disponible. Cette r´eserve d’´energie d´epend du fluide, et du type d’installation (r´eseau en aspiration ou en charge, cf. figure2.36). `A l’int´erieur de la pompe, l’´ecoulement perd de sa charge avant de recevoir l’´energie communiqu´ee par la roue. Cette perte de chargepo−p1, illustr´ee sur la figure2.35, n’est connue que par le fabricant de la pompe et d´epend `a la fois de la vitesse de rotation et du d´ebit. La quantit´e (po−p1)/(ρg) est d´esign´ee sous le nom de NPSH requis, dont le constructeur propose une courbe de NPSH pour

p0

p1

p2

p3 organe

d’aspiration

roue diffuseur

1 2 3

1

2 3

Figure 2.35: ´Evolution de la pression dans la pompe et trajectoire des particules fluide dans la pompe (les ´evolutions `a travers les diff´erents organes de la pompe ne sont pas respect´ees ici).

diff´erents d´ebits (Fig. 2.7).

Finalement pour ´eviter tout cavitation, la r´eserve d’´energie du fluide `a l’entr´ee de la pompe doit ˆetre sup´erieure `a la perte de la charge dans la pompe, soit :

pabs −pv(T)

ρg − po−p1

ρg >0 ou NPSH_disponible >NPSH_requis

Le respect de cette relation assure a priori l’utilisateur d’une absence de cavitation dans le circuit. Il est n´eanmoins pr´ef´erable de prendre une marge de l’ordre du m`etre afin de consid´erer `a la fois les erreurs d’appr´eciation du point de fonctionnement mais aussi des susceptibles variations de ce point sur place. On peut d`es lors ´ecrire :

NPSHdisponible >NPSHrequis+ 1 m (2.5)

Calcul de NPSH disponible

Nous allons traiter deux cas oppos´es illustr´es sur la figure 2.36 qui nous permettront d’´enoncer certaines conditions propices `a l’absence de cavitation dans une pompe. Le cas a consid`ere une pompe plac´ee `a une altitude plus basse que la surface libre de l’eau dans le r´eservoir. La colonne d’eau assure une pression suffisante pour ´eviter la pr´esence d’une cavitation. Le cas b est moins favorable, la pompe ´etant plac´ee `a une altitude plus importante que la surface libre expos´ee `a une pression atmosph´erique. De ce fait, la pompe doit cr´eer une d´epression importante pour g´en´erer le mouvement de fluide. Cette d´epression doit ´evidemment ˆetre ´etudi´ee s´erieusement dans le cadre de la cavitation.

=⇒Cas a : Pompe mont´ee en charge: le liquide provient d’un r´eservoir dont la surface est pressuris´ee `a une pression ps =patm. +prelative et situ´e `a une hauteur h au-dessus de l’entr´ee de la pompe. On notera ∆Hales pertes de charge dans la conduite d’aspiration, et Ve la vitesse du liquide `a l’entr´ee de la pompe. En n´egligeant le terme de hauteur associ´e `a

patm.

h

−h 0

cas a cas b

Figure 2.36: R´eseaux hydrauliques. cas a, pompe mont´ee en charge ; cas b, pompe mont´ee en aspiration.

la vitesse de l’´ecoulement `a l’aspiration, il vientHE =ps/ρg+h−V_e²/2g−∆Ha. Le NPSH disponible est alors estim´e par la relation NPSHdisp= (ps−pv(T))/ρg+h−V_e²/2g−∆Ha.

=⇒ Cas b : Pompe mont´ee en aspiration : un liquide est pr´elev´e d’un bassin, pour lequel la pression `a sa surface est ´egale `a la pression atmosph´erique et situ´e `a une hauteur hen-dessous de l’entr´ee de la pompe. La charge `a l’aspiration s’´ecritH_E =p_atm./ρg−h− V_e²/2g−∆Ha, d’o`u NPSHdisp= (patm.−pv(T))/ρg−h−V_e²/2g−∆Ha.

=⇒ Cas g´en´eral : d’apr`es les deux cas pr´ec´edents, on peut exprimer de fa¸con g´en´erale le NPSH disponible :

NPSHdisp= p_s−p_v(T)

ρg +hg´eo−V_e²

2g −∆Ha (2.6)

o`upsest la pression `a la surface du r´eservoir alimentant la pompe. Dans le cas d’un bassin ouvert, cette pression est ´egale `a la pression atmosph´erique. S’il s’agit d’un r´eservoir ferm´e pressuris´e, il faut alors additionner la pression (relative) lue sur le manom`etre mont´e sur le r´eservoir `a la pression atmosph´erique. hg´eo correspond `a la diff´erence de hauteur entre le niveau d’alimentation et l’entr´ee de la pompe. La pompe fonctionnant en charge, cette hauteur sera consid´er´ee comme positive. Dans le cas o`u on pompe un liquide d’un ni-veau plus bas, la hauteur devient n´egative.V_e²/2g repr´esente la part cin´etique de l’´energie soustraite au liquide. Dans les conduites bien con¸cues, la vitesse de l’´ecoulement est de l’ordre de 1 m/s de sorte que ce terme peut g´en´eralement ˆetre n´eglig´e (V_e²/2g = 0,05).

Il convient n´eanmoins `a l’utilisateur de v´erifier cette valeur num´erique. ∆Ha repr´esente les pertes de charge dans la conduite d’aspiration. On note d’apr`es la relation (2.6) que le niveau de pression disponible fait intervenir quatre composantes, qui ajoutent ou au

contraire ˆotent de l’´energie au syst`eme. Ainsi pour augmenter le NPSH disponible, on peut agir sur diff´erents param`etres : (1) se placer si possible dans le cas d’une pompe mont´ee en charge et augmenter au plus la hauteur d’alimentation ; (2) pressuriser si pos-sible l’alimentation ; (3) r´eduire au maximum les coudes dans la conduite d’aspiration et optimiser le diam`etre de celle-ci afin de r´eduire les pertes de charge ; (4) diminuer la temp´erature du liquide afin d’abaisser la pression de vapeur saturante (Fig. 2.33.b).

Notons que la valeur de la pression atmosph´erique d´epend de l’altitude du bassin et diminuera d’autant plus que cette derni`ere est ´elev´ee (par exemple, au niveau de la mer, la pression atmosph´erique vaut 760 mm Hg, alors qu’elle tombe `a 596 mm Hg `a 2000 m). On peut estimer la pression atmosph´erique patm. (en Pascal), fonction de l’altitude z, `a partir de la relation :

patm. = 1,19745×10⁻⁸(288,15−0,0065×z)^5,25588

Il ne faut pas oublier que la tension de vapeur augmente avec la temp´erature du fluide. Un fluide plus chaud aura pour effet de baisser le NPSH disponible...

Courbes de NPSH

Ces courbes de cavitation des pompes ne peuvent ˆetre obtenues, aujourd’hui encore qu’exclusivement par la voie exp´erimentale, conform´ement aux recommandations et exi-gences des normes en vigueur. On commence pour cela par r´ealiser un point d’essai `a NPSH suffisamment ´elev´e pour ´eviter toute cavitation. Ensuite, en maintenant le d´ebit, les pertes de charge dans le circuit et la vitesse de rotation, on diminue progressivement la pression de l’´ecoulement. On note alors plusieurs valeurs caract´eristiques, bas´ees sur l’observation et le bruit ´emis par la cavitation. (1) Le NPSH de d´ebut de cavitation. Il s’agit de l’apparition des premi`eres poches gazeuses. Ce ph´enom`ene peut ˆetre d´etect´e acoustiquement, ou visuellement lorsque les machines sont pr´edispos´ees de hublots trans-parents ; (2) il existe ensuite d’autres valeurs particuli`eres correspondant `a des phases de d´eveloppement de la cavitation. Ces valeurs correspondent la plupart du temps `a des crit`eres propres aux constructeurs ; (3) pour des valeurs de NPSH encore plus faibles, on observe une chute des performances de la machine. On peut d`es lors donner un crit`ere objectif pour d´eterminer un NPSH. Les constructeurs consid`erent que la cavitation at-teint un degr´e inacceptable lorsque le rendement est atat-teint de 3 %. En r´ep´etant cette op´eration, on peut tracer l’ensemble de la courbe NPSH `a 3 % de la pompe en fonction du d´ebit. C’est cette courbe qui est pr´esent´ee dans les catalogues de pompes (NPSH requis, Fig. 2.7). Une machine cal´ee `a une pression inf´erieure verra ses performances nettement d´egrad´ees.